УДК 621.314.21/26
Донецкий национальный технический университет,
ул. Артёма 58, Донецк, 83000,тел. (0622)99-99-01,E-mail: info@donntu.ru
Источник: Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта. Материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 19-24мая 2003г. г. Севастополь
Трансформатор (от лат. transformo - преобразую), устройство для преобразования каких-либо существенных свойств энергии (напр., электрический трансформатор, гидротрансформатор) или объектов (напр., фототрансформатор).
Обычно крупные электрические станции строят ближе к источникам топлива; иногда электростанции отстоят от промышленных районов, потребляющих электроэнергию, на десятки и даже на сотни километров.
Как известно, при передаче электрической энергии мощностью S = IU часть ее (P = I2г) теряется в проводах (переходит в тепловую энергию). Очевидно, для уменьшения этих потерь передачу энергии необходимо производить при более высоком напряжении U, что приведет к уменьшению величины тока при данной мощности.
Электрические генераторы в зависимости от мощности изготовляются на напряжение от 6 до 35 кв. Однако, для передачи электроэнергии на значительные расстояния это напряжение является недостаточным, необходимы еще более высокие напряжения (до 110-400 кв). Напряжение, на которое рассчитываются приемники электрической энергии, не превышает 0,5- 6 кв. Отсюда следует, что для передачи электрической энергии на расстояние напряжение генераторов должно вначале повышаться, а затем, на предприятиях, оно должно понижаться.
Повышение и понижение напряжения в технике переменных токов легко осуществляется при помощи специальных аппаратов -трансформаторов.
Первый трансформатор был изобретен русским ученым П. Н. Яблочковым и усовершенствован И. Ф. Усагиным в 1882 г.
С изобретением трансформатора появилась возможность производить передачу электрической энергии переменным током на значительные расстояния, что позволило еще шире использовать электрическую энергию в промышленности.
Силовые трансформаторы изготовляются однофазными и трехфазными.
Трансформаторы в основном состоят из стальных сердечников, первичной и вторичной обмоток.
Рисунок 1 - Cхема силового трансформатора типа ТМ-320
1-стальной сердечник;
2- обмотка высшего напряжения;
3- обмотка низшего напряжения;
4 - стальной кожух;
5- фарфоровые изоляторы (вводы);
6-изоляторы (выводы);
7-переключатель напряжения ±5%;
8-радиаторные трубки;
9- расширитель.
Сердечник трансформатора набирают из листовой трансформаторной стали. Для уменьшения потерь на вихревые токи листы стали изолируются друг от друга.
Для трансформаторов небольшой и средней мощностей применяется цилиндрическая обмотка в виде катушек из круглой или прямоугольной меди.
Обычно силовые трансформаторы изготовляются с масляным охлаждением (в последнее время для цеховых подстанций стали изготовлять трансформаторы также с воздушным охлаждением).
У трансформаторов с масляным охлаждением обмотки с сердечниками погружаются в бак, заполненный трансформаторным маслом.
На рис. 1 приведен общий вид трехфазного трансформатора с масляным охлаждением.
Как видно на рисунке, бак имеет масло-расширитель. При нагревании трансформатора масло вытесняется в расширитель и уровень его повышается. Для увеличения охлаждающей поверхности применяются трубчатые баки (рис. 1). Выводные изоляторы изготовляются чаще всего из фарфора.
Однофазные трансформаторы.
Принцип действия.
Рисунок 2 - Cхема однофазного трансформатора
На рисунке 2 приведена схема однофазного трансформатора. Как уже указывалось, он состоит из стального сердечника 1, набранного из листовой трансформаторной стали, первичной обмотки с числом витков W1 и вторичной обмотки с числом витков W2.
Первичной обмоткой трансформатора является та обмотка, к которой подводится напряжение от источника.
Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции.
Если к первичной обмотке трансформатора подвести напряжение переменного тока, то в обмотке появится переменный ток I01, который в стальном сердечнике создает магнитный поток Ф0. При изменении величины тока с определенной частотой с той же частотой будет изменяться и магнитный поток; при этом магнитные силовые линии будут пересекать первичную и вторичную обмотки трансформатора и индуктировать в них электродвижущие силы.
Мгновенное абсолютное значение э.д.с. выражается формулой:
где: W1 -число витков первичной обмотки трансформатора;
Фмакс - максимальное значение магнитного потока, Вб.
Максимальное значение э.д.с. равно:
Действующее значение э.д.с. выражается формулой:
где: f - частота тока;
Ф0 - магнитный поток сердечника, Вб.
Величина э.д.с. во вторичной обмотке определится по формуле:
W2 - число витков вторичной обмотки.
Холостым ходом трансформатора называется режим работы, когда к первичной обмотки трансформатора приложено напряжение, а вторичная обмотка находится в разомкнутом состоянии, следовательно ток в первичной обмотке является намагничивающим, при этом величина его незначительна и составляет 5-8% от величины номинального тока. При холостом ходе трансформатора, не обращая внимания на падение напряжения в первичной обмотке трансформатора , можно принять, что э.д.с. в обеих обмотках трансформатора численно равны напряжениям на их зажимах:
и 
Разделим э.д.с. первичной обмотки на э.д.с. вторичной обмотки, получим:
следовательно, э.д.с., индуктируемые в обмотках трансформатора, пропорциональны числам витков обмоток.
Так как при холостом ходе и , то можно записать:
Значит и напряжение на первичной стороне U1, а также и на вторичной стороне U2 трансформатора пропорциональны числам витков обмоток трансформатора.
Отношение напряжений первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора называется коэффициентом трансформации:
